高固含率原料厌氧消化池搅拌强度对发酵效果的作用机制

高固含率原料产沼气是目前生物质能研究热点领域，搅拌是重要研究内容。沼气发酵搅拌不同于一般混合搅拌，涉及微生物系统。厌氧发酵效果对搅拌强度可以量化的响应机制目前未见报道，制约计算流体力学精确计算用于辅助沼气工程搅拌设计。厌氧消化池搅拌设计很大程度上仍依赖于经验，造成工程效果的不确定性。本课题拟开展高固含率原料厌氧消化池搅拌强度对发酵效果作用机制的研究。课题从临界起始强度、临界高端强度、临界时间强度三个方面开展研究工作。通过底层污泥流态化条件和边界流场流速耦合研究临界起始强度参数，设计边界流场指标；通过沼气池发酵效率与搅拌剪切力流场统计参数的耦合研究临界高端强度参数，设计剪切通量比指标；基于适宜边界流场下，通过搅拌剪切力、搅拌频率、发酵池效率的耦合研究临界时间强度参数，设计传质效应衰减系数指标。提出厌氧消化池搅拌强度对发酵效果作用机制，并设计定量化研究指标是本课题创新之处。

本研究利用实验测量和计算流体力学数值模拟相结合的方法，研究搅拌对高固含率原料介质在发酵池内的流动规律以及生物学效应，课题通过搅拌强度的定量化指标制定，提出了厌氧消化池搅拌强度对发酵效果作用机制。研究从临界起始强度、临界高端强度、临界时间强度三个定量化指标的实验和模拟逐步展开，取得了五方面的研究成果：（1）对以猪粪为发酵原料的发酵料液的表观粘度与含固率的关系进行研究并进行多元非线性回归分析，拟合出相应数学模型，为沼气工程的工艺设计和优化提供函数形式的物性参数关系式。在此研究基础上，提出从剪切速率这个角度对搅拌死区的概念进行定义，并给出搅拌临界起始强度的测量和计算思路。（2）提出一种快速、稳定、可行的厌氧发酵池底物浓度的复合电导率测定方法，并采用水槽试验对建立的数学模型进行适应性验证，最终实现厌氧发酵池底物浓度的在线测定。以此为基础，开发2套在线监测软件，并利用这一测量发酵物浓度的方法和软件测试了搅拌过程物料固体颗粒的浓度分布，进而为研究中心流场的外延流速衰减规律和底物流态化临界条件提供了技术支持。（3）系统设计实验，进行了搅拌参数变化对发酵产气效果的影响研究，拟合了各搅拌参数与发酵效果之间的函数关系，验证了加大搅拌力度会造成产气效率恶化的假设。（4）采用CFD途径对以上实验中的厌氧反应器内部的流场进行了流体力学模拟，统计分析了速度场和剪切力场数据。并根据剪切力的分布曲线提出厌氧消化池的搅拌临界起始强度。（5）通过耦合成果（3）中的搅拌生物学效应与成果（4）中的不同搅拌设置条件下计算流体力学参数，建立反应器内部流场定量数据与发酵产沼气数据之间的联系，拟合出临界高端强度和临界时间强度的分布范围。.课题基本实现了申报书提出的研究目标，建立了高固含率原料厌氧消化池发酵效果对搅拌强度的响应机制，为进一步开发厌氧消化池搅拌计算机辅助设计系统打下基础，为今后相关标准和技术规范的制定创造必要的理论依据。